以密立根油滴实验为背景的高考物理试题鉴析

许文

密立根油滴实验是利用带电油滴在电场和重力场中运动进行实验观测的，证明了任何带电体所带的电荷都是某一最小电荷，即基本电荷的整数倍;明确了电荷量的不连续性;精确地测定了基本电荷量的值;揭示了电子的量子本性．密立根因此获得了１９２３年的诺贝尔物理学奖．

１ 实验概述

如图１所示为密立根油滴实验的基本装置，它主要由喷雾器、油滴室、电源、两金属板（电容器）、观察显微镜与照明系统等组成．

在下面的两金属板间接电源，两板间就存在匀强电场;从喷霧器喷出的雾状油滴由于摩擦、吸收空气中的带电尘埃等原因会带上电荷．带电油滴从上面金属板中间的小孔进入两金属板间，在不加电场的情况下，油滴受重力作用而降落，当重力与空气的浮力和粘滞阻力平衡时，它便匀速下降;改变电源的电压与电源极性，可以改变匀强电场的场强大小与方向;通过调节匀强电场的场强大小与方向，可使油滴在重力、电场力、空气的浮力与空气的粘滞阻力等作用下最终做匀速运动;观察显微镜带有刻度分划板，便于读出油滴运动的距离，配合计时停表，可测定油滴运动速度．油滴受到空气的粘滞阻力大小一般与其运动的速度大小有关．

该装置设计巧妙、简单，且可测性与可操作性强，解决了物理中较复杂的问题，因此该实验被评为物理学发展史上十大经典实验之一．该实验在近几年新高考物理试题中出现频率较高．本文鉴析几道以该实验为背景的高考物理试题，重温这一经典实验，感受经典实验的魅力．

２ 试题鉴析

试题１ （２０２２年湖北卷）密立根油滴实验装置如图２所示，两块水平放置的金属板分别与电源的正负极相接，板间产生匀强电场．用一个喷雾器把密度相同的许多油滴从上板中间的小孔喷入电场，油滴从喷口喷出时由于摩擦而带电．金属板间电势差为U 时，电荷量为q、半径为r 的球状油滴在板间保持静止．若仅将金属板间电势差调整为２U ，则在板间能保持静止的球状油滴所带电荷量和半径可以为（）．

【教学启示】本题以密立根油滴实验为情境，是２０２２年广东卷物理压轴题．通过对该题的分析与求解，进一步让学生理解油滴法测量电子的电荷量，有静态平衡法和动态测量法两种方法．实验可以对同一个油滴进行观察和测量，也可以对多个油滴同时进行观察和测量．油滴最终做匀速运动的速度是实验观察和测量的核心．该题与例２相比，物理情境和思维内核完全相同，均给定了油滴受到空气阻力的大小的影响因素，只是影响因素略有不同．从命题角度来看，这里揭示了一种改编试题的方法，即对所给的关键条件进行适当合理的改变．从高考备考角度来看，高考真题才是经典中的经典，研做高考真题，以高考题为桥梁注重教材研读，注重知识网络建构和深度学习，才是备考的上策．

总之，密立根油滴实验是物理学发展史上的一个经典实验．新高考理念下的高考物理试题，以该实验为情境，从不同角度命制相关试题，融合受力分析、力的平衡、电场力做功与电势能变化、动量与能量等相关物理知识，研究对象可以是单个油滴，也可以是多个油滴;运动过程可以是单一的，也可以是往返多过程的;题型既可以是选择题，也可是计算题，甚至是整卷的压轴题．试题通过对该实验进行改编，引导学生关注物理学史，重视对物理基本概念、基本规律、基本思想及研究方法的理解，认识经典实验的人文价值，关注这些科学家发现物理概念和规律的历史背景、研究过程及相关实验的思想与方法，强调动手实践能力和创新能力，启发我们在生活中要学以致用，养成利用身边的事物巧妙设计实验、探究物理规律的习惯，在学习物理知识的过程中培养科学精神和科学素养，重视创新精神及实践能力．